El cobalto, elemento atómico n°27 de símbolo Co: sus generalidades, sus isótopos, su extracción, sus propiedades, sus usos y su toxicidad.

Generalidades, historia del cobalto y descubrimiento del cuerpo simple

Con una estructura electrónica [Ar] 4s² 3d⁷, este elemento pertenece al grupo del cobalto. También está constituido por el rodio (Rh) y el iridio (Ir). Forma parte, entre otros, del grupo de los metales de transición, al igual que el hierro y el níquel. Estos elementos poseen propiedades físicas similares a las del cobalto. Sin embargo, la reactividad química de este último es menos elevada.

Las civilizaciones antiguas supieron extraer los minerales naturales de cobalto. Lo utilizaron en forma de pinturas, barnices o esmaltes. Las civilizaciones de Mesopotamia, en particular, usaban estos minerales para decorar cerámicas y vajillas de terracota. Fueron arqueólogos quienes descubrieron estas decoraciones azules (en Egipto hacia 2600 a.C. y en Mesopotamia). Además, es importante recordar que los mesopotámicos son el origen de Babilonia.

Las perlas de vidrio teñido con azul de cobalto se utilizaban comúnmente hacia 2200 a.C. Se han encontrado en el actual Irán. Esta técnica de coloración del vidrio permite obtener un azul intenso o esmaltes. También estaba extendida en el mundo mediterráneo desde el siglo III a.C. Los pigmentos utilizados son generalmente silicatos y/o aluminatos de cobalto y potasio. Conocidos como safre o esmalte, se utilizaban en algunas vidrieras románicas lujosas en Europa occidental. Llamados “azul de cobalto”, los óxidos de cobalto se utilizaron en lugar de estos pigmentos.

Los derivados engañosos ricos en cobalto eran conocidos con los nombres tradicionales “Das Kobold” o “Das Kobalt”. Estos términos fueron empleados por los mineros sajones en busca de metales preciosos. Estos minerales sulfurados y/o arseniados producen gases malolientes o humos tóxicos de óxidos de arsénico cuando se someten a tratamiento metalúrgico. También pueden emitir emanaciones venenosas. En caso de sobrecalentamiento, se transforman en una materia fundida quebradiza en frío llamada “spiess” o en metales duros y quebradizos. Estos son ricos en sulfuro o arsénico, pero los metalúrgicos tienen dificultades para tratarlos y forjarlos.

En aquella época, los mineros creían que las minas estaban embrujadas por enanos maléficos y engañosos, los “kobolds”. Les atribuyen un color azulado. Eran acusados de robar el metal precioso, especialmente el cobre, y reemplazarlo por materiales de calidad inferior. Estos kobolds eran considerados seres traviesos.

Los subproductos de estos minerales sin valor eran llamados “Kobelet”, “Kobolt” o “Kobelt” en alemán vernáculo. Paracelso mencionó el “cobolt” por primera vez en 1522, pero con una ortografía más latina. El término “cobaltum” o “cobaltum” en latín fue luego adoptado por la Europa erudita. También conviene señalar que el término técnico “cobalto” se utilizó en francés para designar el arsénico metálico reducido a polvo.

El término “cobalto” y su variante “cobolt” designaban el mineral o sus residuos. Anteriormente se consideraban inutilizables hasta el siglo XIX. Sin embargo, desde el siglo XVII, la moda alemana de la coloración en azul, llamada “Blaufarbung”, dio una nueva utilidad al mineral de cobalto. Los artesanos de la química y del vidrio comenzaron a fabricar excelentes pigmentos azules a partir de estos desechos. Se trata del esmalte de los vidrieros o de los ceramistas, así como del “azul de los lápices de carretero”. Entre 1733 y 1738, Georg Brandt, un experto en minerales arseniados, emprendió la tarea de identificar el elemento específico contenido en estos minerales o subproductos mineros.

Los maestros vidrieros de Murano en Venecia habían recurrido a los enanos de Venecia para conseguir mineral de cobalto. Lo habían utilizado para fabricar sus célebres obras coloreadas en azul de Murano. Estos enanos traían el mineral de las minas situadas al norte de los Alpes.

En 1735, el químico sueco Georg Brandt (1694-1768) había pretendido haber extraído de un mineral un “semi-metal” blanco rojizo, duro y quebradizo. Lo nombró “cobalto”. En realidad, se trataba de muestras de metal impuro. En 1745, había demostrado que el cobalto era la causa del color azul. Este se transfiere fácilmente a los vidrios. Esta precisión era importante. La comunidad científica atribuía a menudo este tinte ya sea al bismuto, o bien al hierro y al arsénico. Gracias a Georg Brandt, el cobalto fue identificado como el elemento responsable del color azul característico de los vidrios teñidos.

A pesar de su importancia, los descubrimientos de Georg Brandt pasaron prácticamente desapercibidos en la época. No fue hasta 1780 que Torbern Olof Bergman logró preparar el metal puro. Había reconocido tardíamente el papel pionero de Georg Brandt en el descubrimiento de este elemento. En 1798, los químicos habían notado reacciones con las soluciones amoniacales de cloruro de cobalto CoCl₂. Dan lugar a la formación de cristales anaranjados estables al calor, hasta 180°C. Este cuerpo se transforma en otro cuerpo estable más oscuro más allá de esta temperatura.

En los siglos XVIII y XIX, los pigmentos azules de cobalto suscitaban un gran interés. Esto concierne particularmente a la industria de la cerámica y la de la porcelana. Este contexto contribuyó al desarrollo del “azul de Sèvres”. Lo mismo ocurre con el azul de Thénard. Se obtiene por calcinación del fosfato de cobalto y la alúmina gelatinosa. Sin embargo, el azul de cobalto es generalmente un pigmento compuesto de óxido de cobalto. Este pigmento es ampliamente utilizado en la fabricación de vidrios y pastas cerámicas. También se utiliza en el esmaltado y la decoración de cubiertos y azulejos cerámicos. Estas aplicaciones perduran hasta hoy.

Durante el siglo XIX, la fábrica noruega Blaafarveværket era líder en la producción de azul cobalto. Estaba dirigida por el industrial prusiano Benjamin Wegner. Esta empresa había producido entre el 70% y el 80% de la producción mundial de este pigmento azul popular en la época.

El uso directo del cobalto se multiplicó antes de la Belle Époque. Aleado con el hierro y el acero, permitía aumentar la dureza de los materiales obtenidos. Además, el revestimiento de una capa de metal cobalto ofrecía una protección eficaz contra la oxidación. El cobalto es más duro que el níquel. El “cobaltado” incluso comenzó a rivalizar con el niquelado en algunas aplicaciones.

Con el tiempo, las sales de cobalto se volvieron comunes en los laboratorios de química. Han permitido desarrollar tintas simpáticas cada vez más sofisticadas. También entran en la fabricación de papeles indicadores de higrometría. Estos sirven para medir la humedad del aire o de una mezcla gaseosa cualquiera. El papel higrométrico, llamado papel cobaltado, cambia de color del azul al rosa en función del nivel de humedad del aire. Esta aplicación práctica ha hecho que el cobalto sea aún más popular en los laboratorios de química. Ha contribuido a su renombre en el campo de la ciencia.

La química en solución acuosa del cobalto, y en particular la formación de complejos, es particularmente rica. El químico de Mulhouse Alfred Werner había realizado importantes trabajos a principios del siglo XX. Permitieron establecer las bases de la química de coordinación. Este químico naturalizado suizo en 1895 fue el primero en afirmar que los complejos están constituidos por un ion metálico rodeado de ligandos. Una idea que contradice las conclusiones de los químicos de la época. Afirmaba que los complejos estaban compuestos por un ion metálico enganchado a una cadena de ligandos. Los trabajos de Alfred Werner tuvieron un impacto considerable en el desarrollo de la química de los complejos. Permitieron comprender mejor las propiedades del cobalto en solución acuosa.

En 1938, los científicos John Livingood y Glenn Seaborg descubrieron el cobalto 60. Se trata de un isótopo radiactivo del cobalto. Emite rayos gamma de alta energía. El cobalto 60 se utiliza en la radioterapia para tratar ciertos tipos de cáncer. También se utiliza en el proceso de irradiación de alimentos. Este está destinado a prevenir la contaminación bacteriana y prolongar su vida útil. Este descubrimiento abrió el camino a nuevas aplicaciones del cobalto en ámbitos más importantes para la sociedad.

Isótopos

El cobalto es un elemento monoisotópico y mononucléido. Existe en estado natural un solo isótopo estable, el ⁵⁹Co. Su masa atómica estándar es de 58,933195(5) u. Sin embargo, también se han caracterizado 28 radioisótopos artificiales de cobalto. El ⁶⁰Co es el más estable, con una vida media de 5,2714 años, frente a una vida media de 271,79 días para el ⁵⁷Co. La del ⁵⁶Co es de 77,27 días, frente a 70,86 días para la vida media del ⁵⁸Co. Estos isótopos radiactivos se producen artificialmente con fines médicos, industriales y científicos.

Efectivamente, todos los otros isótopos de cobalto tienen una vida media inferior a 18 horas. Para la mayoría de ellos, es incluso inferior a un segundo. El cobalto también tiene 11 isómeros nucleares. Son formas excitadas del isótopo de cobalto. Se desintegran rápidamente emitiendo radiaciones gamma. Todos estos isómeros tienen una vida media inferior a 15 minutos. Los isótopos y los isómeros de cobalto son estudiados en física nuclear y en radioquímica. El objetivo es comprender las propiedades de los núcleos atómicos. Las investigaciones también permiten desarrollar nuevas aplicaciones en medicina nuclear y en energía nuclear.

Cobalto 60 (isótopo radiactivo)

En medicina, el cobalto 60 se utiliza para la radioterapia y el tratamiento del cáncer. En la industria, se recurre para la radiografía de soldaduras y la detección de fugas en tuberías. También sirve para esterilizar alimentos y equipos médicos. En agricultura, se utiliza para la esterilización de insectos nocivos. El cobalto 60 mejora, entre otros, la calidad de los cultivos. En investigación científica, se utiliza para el estudio de la estructura de la materia. También permite producir isótopos radiactivos para uso médico e industrial. Sin embargo, el cobalto 60 también se utiliza en armas nucleares.

En radioterapia, el cobalto 60 se utiliza para tratar diferentes tipos de cáncer. Esto concierne a los tumores cerebrales, los cánceres de cuello uterino, los cánceres de próstata y los cánceres de pulmón. Las unidades de medicina especializadas en oncología utilizan máquinas llamadas “aceleradores lineales”. Sirven para producir rayos gamma a partir del cobalto 60. Permite destruir las células cancerosas preservando los tejidos sanos.

En la industria, el cobalto 60 se utiliza para el control de calidad de los materiales por radiografía. Ayuda a detectar los defectos de las piezas, tales como fisuras, soldaduras defectuosas o anomalías estructurales. Esta técnica se utiliza en numerosos sectores industriales. Esto concierne, en particular, a la aeronáutica, la automoción y la construcción. El cobalto 60 de síntesis no es totalmente puro. Generalmente contiene impurezas, especialmente isótopos radiactivos de desintegración epsilon (ε). Estos isótopos emiten radiaciones gamma peligrosas para la salud. Pueden dañar los núcleos de las células y contaminarlas con elementos radiactivos persistentes. Es importante manipular el cobalto 60 con precaución. Hay que tomar medidas de protección adecuadas para los trabajadores y el medio ambiente durante su uso. Se establecen normas de seguridad estrictas para regular el uso del cobalto 60 y garantizar su seguridad.

Minerales y extracciones mineras

Los minerales de cobalto están principalmente constituidos por arseniuros, arsenio-sulfuros, sulfuros, óxidos y arseniatos. Estos minerales a menudo están asociados con otros metales como el cobre, el níquel y el hierro. Los contenidos de cobalto en estos yacimientos son generalmente bajos. Pueden ser concentrados por procesos geoquímicos o por la erosión natural. Por ejemplo, los minerales de cobalto pueden ser enriquecidos por procesos hidrotermales. Implican el transporte de metales disueltos en fluidos calientes. Del mismo modo, la erosión natural puede concentrar los minerales de cobalto en depósitos aluviales. Los sedimentos ricos en cobalto son transportados por los cursos de agua y depositados en zonas de baja energía.

Los principales minerales constitutivos de los minerales de cobalto incluyen la esmaltita cúbica CoAs₂. También es conocida como esmaltina. Los minerales también contienen cobaltita ortorrómbica CoAsS, antiguamente llamada “cobaltina” o “cobalto gris”. Contienen, entre otros, productos de oxidación como la eritrita Co₃(AsO₄)₂·8H₂O, antiguamente llamada “flor de cobalto”. Otros minerales de cobalto incluyen la modderita CoAs ortorrómbica, la saflorita ortorrómbica CoAs₂ y la clinosaflorita monoclínica CoAs₂.

El cobalto también contiene escuterudita cúbica CoAs₃-x y alocasita monoclínica CoAsS. Las esmaltinas se utilizaban antiguamente como término genérico para designar los minerales arseniados de cobalto. En cuanto a las cobaltinas, hacían referencia a los minerales sulfo-arseniados. A pesar de su relativa rareza, estos minerales son de importancia económica como fuente de cobalto. Se utiliza en numerosas aplicaciones industriales, como las baterías recargables, las aleaciones metálicas y los catalizadores.

La extracción del cobalto se realiza principalmente a partir de minerales de cobre, níquel y a veces plomo. También contienen cantidades significativas de cobalto. La carrolita CuS.Co₂S₃ es un ejemplo de sulfuro mixto de cobre y cobalto. Este puede ser extraído para obtener cobalto. Los minerales de cobre y níquel pueden ser tratados por diversos métodos. Los químicos utilizan la flotación para separar el cobalto de los otros metales. Una vez extraído, el cobalto puede ser purificado y transformado en una amplia gama de productos. Se trata de aleaciones, pigmentos, baterías recargables y catalizadores para la industria química.

Los principales productores de cobalto están actualmente concentrados en África, en particular en la República Democrática del Congo. Produce aproximadamente el 65% de la producción mundial de cobalto. Otros países africanos, como Zambia y Marruecos, también son importantes productores. En América del Norte, Canadá y Estados Unidos también tienen importantes reservas de cobalto. Sin embargo, la explotación minera está menos desarrollada allí que en África. Rusia, Australia y Nueva Caledonia también son importantes productores de cobalto. Esta última era conocida en el siglo XIX por sus yacimientos de manganeso cobaltífero. Con el rápido crecimiento de la industria de las baterías recargables, se espera que la demanda de cobalto seguirá aumentando. Este aumento podría conducir a la exploración de nuevos yacimientos y llevar a la reapertura de minas abandonadas en todo el mundo.

Los minerales sulfurados o arseniados pueden ser concentrados a partir de antiguas explotaciones mineras. Esto concierne al cobalto gris, la esmaltina y la cobaltina, así como a otros minerales de cobalto. Estos minerales a menudo son tratados por tostación al aire. Convierte los sulfuros o los arseniuros de cobalto en óxido de cobalto. También llamado asbolana, está disponible en una forma generalmente hidratada. La asbolana puede luego ser reducida a metal de cobalto. Se obtiene ya sea utilizando gas hidrógeno, o utilizando carbón vegetal. Este metal de cobalto purificado puede ser utilizado en una variedad de aplicaciones industriales. Se trata de la producción de aleaciones, pigmentos, baterías recargables y catalizadores.

En los años 1990, los minerales de sulfuros cobaltíferos debían contener un contenido de 0,1 a 0,03% en masa en cobalto para ser económicamente viables. Sin embargo, la mayor parte del cobalto es hoy un subproducto de los tratamientos de la industria extractiva del cobre. El enriquecimiento del cobalto en estos minerales se realiza generalmente por flotación mediante lejías. Permiten separar los minerales de cobre y cobalto de otros minerales.

Este método de enriquecimiento permite recuperar eficazmente el cobalto a partir de minerales de cobre con bajo contenido en cobalto. Ha contribuido al aumento de la producción de cobalto a lo largo de los años. Sin embargo, la creciente demanda de cobalto para la producción de baterías recargables impone nuevos desafíos para el suministro futuro de cobalto. La industria extractiva del cobre no puede responder a la creciente demanda mundial de cobalto.

Los métodos de extracción del cobalto dependen del tipo de mineral. Los sulfuros de cobalto pueden ser extraídos por pirólisis. Este proceso consiste en una reacción química a alta temperatura en un entorno controlado. En cambio, los óxidos de cobalto generalmente se extraen mediante procesos de hidrometalurgia. Implican el uso de productos químicos para disolver el cobalto del mineral.

La separación del cobre y del cobalto se realiza a menudo durante los procesos de electrólisis. El cobalto puede ser recuperado en forma de metal purificado. Se necesitan alrededor de 500 toneladas de mineral para producir una tonelada de cobalto purificado.

A principios de los años 1990, la producción anual de cobalto en el mundo era de aproximadamente 40.000 toneladas. Sin embargo, la demanda de cobalto ha aumentado considerablemente en las últimas décadas. Este aumento ha estimulado la búsqueda de nuevos yacimientos de cobalto. Lo mismo ocurre con la exploración de métodos alternativos.

Desafortunadamente, es conocido que la explotación minera de cobalto en la República Democrática del Congo (RDC) a menudo implica el trabajo infantil. Según las estimaciones, alrededor de 40.000 niños son explotados en las minas de cobalto en la provincia de Katanga en la RDC. La producción de cobalto está concentrada allí. Estos niños a menudo se ven obligados a trabajar en condiciones peligrosas e insalubres. No llevan equipo de protección adecuado. Están expuestos a riesgos para su salud y seguridad. Esta situación es preocupante para los grupos de defensa de los derechos humanos y de la infancia. Hacen un llamamiento a medidas para poner fin a la explotación de los niños en las minas de cobalto. Luchan por garantizar condiciones de trabajo seguras y equitativas para todos los mineros.

Propiedades del cuerpo simple

El cobalto posee dos variedades alotrópicas. La primera, Co_α, es un cristal metálico de malla hexagonal. Posee parámetros a = 2,507 Å y c = 4,069 Å. Su densidad va de 8,9 a 20°C. Se trata de la variedad más estable a temperatura ambiente. La segunda variedad, Co_β, tiene una malla cúbica centrada en las caras, con a = 3,544 Å. Es menos compacta y claramente menos estable por debajo de 400°C. La transición de fase entre Co_α y Co_β provoca un aumento de volumen de 0,3%. Esta se produce a una temperatura de 417°C ± 7°C.

Esta transición es sensible a ciertas impurezas específicas. Sin embargo, es lenta. Es común que una mezcla de las dos variedades exista en un amplio rango de temperaturas. Esto explica las ligeras variaciones de propiedades físicas del metal cobalto. La variedad Co_β es una forma metaestable a temperatura ambiente. Puede ser obtenida por temple o por ciertos procesos de electrólisis. La transición diferida juega un papel en el estallido de ciertos depósitos catódicos de cobalto por electrólisis.

El cobalto es un metal ferromagnético. Puede conservar una fuerte imantación a temperatura ordinaria. Su punto de Curie es de aproximadamente 1.121°C. Se trata de la temperatura a la que pierde su propiedad magnética ferromagnética. La permeabilidad magnética del cobalto es de aproximadamente 68, es decir, dos tercios de la del hierro. La permeabilidad magnética máxima es de 245. El campo coercitivo del cobalto es de aproximadamente 707 A/m. Se trata de la fuerza necesaria para anular la imantación de un material. Estas propiedades magnéticas hacen del cobalto un material importante en la fabricación de imanes permanentes. Estos se utilizan en numerosas aplicaciones, especialmente los motores eléctricos, los altavoces y los discos duros.

El cobalto tiene una conductividad eléctrica del 26% IACS (International Annealed Copper Standard). Conduce la electricidad a aproximadamente un cuarto de la tasa de conductividad del cobre puro. La conductividad eléctrica del cobalto es relativamente baja. No obstante, se utiliza en numerosas aplicaciones eléctricas debido a sus otras propiedades. Esto concierne a su dureza, su resistencia al desgaste y su resistencia a la corrosión. El cobalto a menudo se utiliza en la fabricación de aleaciones para los contactos eléctricos, los cables resistentes al calor y los electrodos de soldadura.

El cobalto es un metal, cuya temperatura de fusión es similar a la del hierro. Esta característica lo hace también poco fusible. Su temperatura de fusión es de aproximadamente 1.490°C. Para el cobalto puro, puede alcanzar 1.495°C. El cobalto hierve a una temperatura de aproximadamente 2.927°C. En la práctica, generalmente hierve entre 2.600°C y 3.100°C. Estas propiedades de fusión y ebullición elevadas del cobalto son importantes en numerosas aplicaciones. Esto concierne a la producción de piezas para los motores a alta temperatura y las turbinas de gas. El cobalto también se utiliza en la fabricación de ciertas aleaciones resistentes al calor.

El cobalto masivo es generalmente resistente al aire y al agua a temperatura ambiente. En efecto, el agua y el aire generalmente no tienen acción sobre el metal cobalto. Sin embargo, conviene señalar que el cobalto finamente dividido en polvo puede reaccionar con el aire e inflamarse rápidamente. Además, el cobalto en polvo no es insoluble en agua. Su solubilidad alcanza 1,1 mg/L. Esta forma de cobalto se llama “cobalto pirofórico y pulverulento”. Se obtiene por calentamiento del óxido de cobalto (II) CoO a alta temperatura en una corriente de gas hidrógeno.

Este polvo puede formar espumas de cobalto. Tienen una capacidad elevada para disolver el gas hidrógeno, alcanzando hasta 100 volúmenes de gas por espuma de cobalto. Debido a estas propiedades, el cobalto finamente dividido se utiliza en ciertas aplicaciones industriales. Esto concierne a la producción de ciertas aleaciones y de catalizadores.

El cobalto masivo resiste generalmente a la oxidación a temperatura ambiente. En efecto, no se oxida radicalmente hasta que se calienta al rojo, es decir, a temperaturas elevadas. En estas condiciones extremas, puede reaccionar con el oxígeno del aire. Forma óxido de cobalto (CoO) o óxido de cobalto (II, III) (Co₃O₄). Estos óxidos pueden tener aplicaciones industriales, especialmente en la producción de cerámicas y pigmentos. Sin embargo, el cobalto también se utiliza en aplicaciones donde se requiere una alta resistencia a la corrosión. Esto concierne a los implantes médicos y los instrumentos quirúrgicos. El cobalto es reconocido por su resistencia a la oxidación a temperatura ambiente.

La oxidación de la superficie del cobalto se produce a temperaturas elevadas, especialmente entre 300°C y 900°C. Esta reacción es similar a la que se produce cuando el cobalto se calienta al rojo. Más allá de este rango de temperaturas, el óxido mixto se transforma en óxido divalente de cobalto (CoO). Esta oxidación es necesaria en la producción de ciertos materiales. Sin embargo, también puede alterar sus propiedades y su desempeño en ciertas aplicaciones. Por lo tanto, pueden ser necesarias medidas de protección. Esto concierne a la adición de un revestimiento protector para utilizar el cobalto en buenas condiciones.

El cobalto se disuelve rápidamente en los ácidos oxidantes diluidos. Se trata del ácido nítrico, que puede formar un precipitado rojo abundante de nitrato de cobalto Co(NO₃)₂. El ácido nítrico oxidante es capaz de disolver el cobalto. Es capaz de oxidar el metal en iones cobalto (II) y (III). El ataque del cobalto es más lento en los ácidos no oxidantes. Esto concierne al ácido clorhídrico.

Sin embargo, el proceso es similar con liberación de gas hidrógeno. Los ácidos no oxidantes disuelven el cobalto en iones cobalto (II). Esta reacción libera hidrógeno gaseoso. Estas reacciones químicas pueden tener aplicaciones industriales. Son útiles en la producción de ciertos productos químicos, como las sales de cobalto. Se utilizan en la fabricación de pigmentos, cerámicas y catalizadores. Sin embargo, el uso de ácidos fuertes y concentrados debe realizarse con precaución. Son reconocidos por su potencial corrosivo y peligroso para la salud y el medio ambiente.

El tratamiento del cobalto con ácidos oxidantes fuertes causa una pasivación de superficie. Esta capa protectora de óxido de cobalto previene la oxidación o la corrosión del metal. Esta pasivación tiene aplicaciones en la industria. El cobalto conserva sus propiedades químicas y físicas.

En presencia de aire, el amoníaco es capaz de disolver el metal cobalto. Esta reacción permite producir sales de cobalto u otros productos químicos que contienen cobalto. Sin embargo, la manipulación del amoníaco requiere muchas precauciones.

En cuanto a las bases fuertes como los hidróxidos alcalinos, no tienen ninguna acción sobre el cobalto. Este elemento metálico natural generalmente resiste a las reacciones con las bases fuertes a temperatura ambiente. Esta resistencia permite que el cobalto sea utilizado en los implantes médicos y los instrumentos quirúrgicos. Sin embargo, el cobalto puede reaccionar con bases fuertes a temperaturas elevadas. Esto puede alterar sus propiedades y su desempeño en ciertas aplicaciones.

Preparación del cuerpo simple

En el laboratorio, existe una técnica antigua para tratar los minerales arseniados. Consiste en calentar el mineral con carbón vegetal en un flujo de aire reductor como el monóxido de carbono. Permite extraer el cobalto en forma metálica. Lo separa de los otros elementos presentes en el mineral. Sin embargo, este método raramente se utiliza en la industria minera moderna debido a su alto costo y su impacto ambiental.

Hoy, los métodos de extracción modernos a menudo implican el uso de procesos hidrometalúrgicos. Se trata de la lixiviación en montones o de la lixiviación en cuba. Esta técnica permite extraer el cobalto a partir de los minerales arseniados. Estos métodos generalmente son más eficientes y menos costosos que las técnicas tradicionales de tratamiento del mineral.

El sulfoarseniuro de potasio a menudo se utiliza para extraer cobalto a partir de soluciones que contienen sales de cobalto. También llamado dihidrogenoarseniato de potasio, este elemento es soluble en agua, mientras que el sulfuro de cobalto permanece sólido. Este último luego se lava para eliminar las impurezas. Luego se trata con ácido sulfúrico. Este tratamiento permite convertir el sulfuro de cobalto en sulfato de cobalto. Luego se trata con potasa cáustica. Esta etapa permite obtener un precipitado de óxido de cobalto hidratado que, una vez calentado, se transforma en óxido de cobalto. Este entra en la producción de pigmentos, baterías, aleaciones y otros productos químicos. Sin embargo, el óxido de cobalto obtenido por este proceso a menudo es impuro. Requiere una purificación adicional para ciertas aplicaciones específicas.

Si el óxido de cobalto está libre de impurezas, puede ser calcinado con carbón activado para obtener cobalto metal. El óxido de cobalto CoO luego se precipita de estas soluciones por el ácido oxálico. El CoO luego se disuelve en amoníaco puro. El oxalato de níquel da un precipitado azul verdoso, mientras que el oxalato de cobalto da un precipitado rosa. El precipitado de CoC₂O₄ rosa se decanta con el licor restante. Posteriormente, se purifica por lavado y secado antes de ser calentado. Este proceso permite descomponer el oxalato de cobalto en metal cobalto sólido y gas dióxido de carbono. El cobalto metal obtenido sirve para producir aleaciones, imanes permanentes, pilas, catalizadores y pigmentos.

La tostación de los minerales sulfurados o arseniados es un método común para obtener cobalto. Esta técnica consiste en calentar el mineral sulfurado o arseniado para transformarlo en óxido de cobalto antes de reducirlo usando carbón o gas hidrógeno para obtener metal cobalto impuro. Sin embargo, la mayoría de los métodos de extracción del cobalto están relacionados con la metalurgia extractiva del cobre.

El proceso de refinado de cobalto por electrólisis también permite producir cobalto de alta pureza. En este proceso, los hidróxidos, oxihidróxidos o sulfatos de cobalto se utilizan como materia prima. Se disuelven en una solución ácida. Se realiza una electrólisis para obtener cobalto purificado en forma de cátodo. Este método a menudo se recurre para producir cobalto para uso médico o explotado en las aplicaciones de alta tecnología.

Aleaciones a base de cobalto

El cobalto es un elemento clave en la producción de aleaciones. Los aceros especiales al cobalto son el acero rápido al Co y molibdeno Mo, o acero al Co y tungsteno W. Se utilizan para las herramientas de corte rápido a alta temperatura. El acero martensítico N690Co es un ejemplo de acero rápido al Cr con Co, Mo y V.

El cobalto también es un elemento importante en la producción de superaleaciones. Con una alta resistencia a la corrosión, estos materiales son capaces de soportar temperaturas elevadas. Las superaleaciones se utilizan en las turbinas de aviones, los motores de cohetes y los reactores nucleares, entre otras aplicaciones.

Las aleaciones de cobalto también se utilizan para producir imanes permanentes. Se trata de los imanes AlNiCo o de las aleaciones que contienen aluminio, níquel, cobalto, cobre o titanio. Las aleaciones de cobalto al samario, como Sa_0,95Co_0,05, figuran entre los mejores imanes permanentes.

El cobalto sirve para fabricar herramientas de corte, como las fresas y las brocas HSS. Las herramientas HSS-CO (M35) contienen 5% de cobalto, frente al 8% para las herramientas HSS-CO8 (M42). La adición de cobalto mejora la resistencia al desgaste de estas herramientas. Las hace más adaptadas al mecanizado de materiales duros como el titanio.

La aleación de cobalto y magnesio hace que el cobalto sea maleable, mientras que la de cobalto y cobre lo hace dúctil. Además, el cobalto también mejora la dureza del níquel.

El cobalto permite producir revestimientos metálicos por depósito de electrólisis. Los baños de níquel-cobalto contienen aproximadamente 30% de cobalto. Hacen que los revestimientos sean brillantes y resistentes a la corrosión. Las propiedades de estos revestimientos son similares a las de los revestimientos de “cromo duro” a base de cromo (VI).

Los aceros al cobalto son conocidos por su resistencia a alta temperatura y su solidez. También son apreciados por sus propiedades magnéticas. Por ejemplo, los aceros contienen 17% de cobalto y 8% de tungsteno. También están compuestos de 2,5% de cromo y de 0,75% de cesio. Pueden ser utilizados para producir imanes permanentes de campos intensos que van de 5.000 a 10.000 gauss.

El cobalto es un metal relativamente ligero y duro. Resiste al rayado y luce un brillo plateado después del pulido. Por estas razones, es apreciado por los joyeros, orfebres y joyeros. Las aleaciones de cobalto-cromo son aún más resistentes al desgaste que el cobalto puro. Sin embargo, pierden las propiedades ferromagnéticas del cobalto.

También existen otras aleaciones ferrosas que contienen cobalto, como las FeNiCo. Se presentan en Fernico o en Kovar. El Permendur es otra aleación que contiene 58% de hierro, 40% de cobalto y 2% de vanadio. Se utiliza para la fabricación de electroimanes. El Comol es una aleación que contiene 71% de hierro, 17% de molibdeno y 12% de cobalto. Permite fabricar imanes permanentes de campo de intensidad media.

Una aleación modelo conocida con el nombre de FeNiCo (Fe_0,53Ni_0,29Co_0,18) presenta un coeficiente de dilatación cercano al vidrio de las bombillas eléctricas clásicas. Se utilizaba para el paso de los cables en estas bombillas.

El cobalto a menudo se utiliza en combinación con el hierro y el níquel. Permite obtener aleaciones ferrosas que tienen propiedades magnéticas y térmicas únicas. Estas aleaciones se utilizan en los electroimanes y las bombillas eléctricas. Su combinación única de propiedades las convierte en materiales preciosos y versátiles para la industria.

Las superaleaciones refractarias pueden estar compuestas de varios elementos, incluyendo el cobalto. Por ejemplo, las fundiciones HS-31 son superaleaciones. Contienen 54% de cobalto, 25,5% de cobre, 10,5% de níquel y 7,5% de tungsteno. La tasa de hierro es de sólo 2%, mientras que la de carbono es de 0,5%. Las estelitas son otras superaleaciones muy duras. Son resistentes al desgaste por los agentes químicos. Contienen 66% de cobalto, 26% de cromo, 6% de tungsteno y 2% de carbono. La aleación “vitelio” es otra superaleación que contiene cobalto. Está específicamente diseñada para las prótesis y la osteosíntesis. Está compuesta de 65% de cobalto, 30% de cromo y 5% de molibdeno.

Óxidos

El cobalto tiene dos óxidos comunes con una malla cúbica: CoO y Co₃O₄. Este último es un compuesto óxido de cobalto de valencia mixta con dos tipos de iones de cobalto. Uno tiene un grado de oxidación III y el otro tiene un grado de oxidación II. Este óxido tiene una estructura espinela normal. Se forma a partir de CoO por calentamiento entre 600 y 700°C. Actualmente, la existencia del óxido Co₂O₃ sigue siendo incierta.

El óxido de cobalto CoO seco generalmente es verde oscuro o marrón-verde. Se vuelve rosa cuando está hidratado. Cuando se funde con óxidos metálicos, produce cuerpos de colores característicos. Se trata del rosa, del azul y del verde (“verde de Rinmann” o verde de cobalto). Contienen respectivamente óxido de magnesio MgO, óxido de aluminio Al₂O₃ y óxido de zinc ZnO. El óxido de cobalto también colorea en azul la porcelana, los vidrios, así como la sílice y diversos silicoaluminatos.

Sulfuros

Existen numerosos sulfuros de cobalto, entre los cuales los más comunes y los más simples son:

• el Co₃S₄, que tiene una estructura espinela;
• el CoS₂ negro, que tiene una estructura pirita;
• el óxido no estequiométrico Co_1-xS.

Los sulfuros de cobalto a menudo están presentes en la naturaleza. Están asociados con otros sulfuros como el níquel, el hierro y el cobre. Algunos ejemplos de sulfuros de cobalto naturales incluyen la jaipurita CoS hexagonal. Contienen cobaltpentlandita Co₉S₈, cattierita cúbica CoS₂ y linaeíta Co₃S₄.

Arseniuros

El arseniuro de cobalto CoAs presenta una particularidad: es polimórfico. Existe en dos formas cristalinas diferentes. La primera forma, llamada modderita, posee una malla ortorrómbica y un color gris acero. La segunda forma, llamada langisita, tiene una malla hexagonal y un color rosa.

Estas dos formas cristalinas del arseniuro de cobalto tienen propiedades físicas distintas y pueden ser utilizadas en diferentes aplicaciones. Por ejemplo, la modderita puede ser utilizada como material conductor para los semiconductores. La langisita puede ser utilizada para la fabricación de células solares o de dispositivos de almacenamiento de energía.

Halogenuros

Los fluoruros de cobalto se presentan en diferentes grados de oxidación. Se trata de los CoF₂, CoF₃ (de color marrón e isomorfo de FeCl₃) y CoF₄ (poco común). Los otros halogenuros existen únicamente en el grado de oxidación II, a saber el CoCl₂ (azul en su forma anhidra), el CoBr₂ (verde) y el CoI₂ (azul noche). En todos los casos, el cobalto está rodeado de un octaedro de iones halogenuro.

Los halogenuros de cobalto son fácilmente solubles en agua y producen soluciones rosa pálido. Solo los fluoruros son poco solubles en agua. El dicloruro de cobalto se utiliza comúnmente para detectar la presencia de agua o de humedad. Cuando se humedece, vira al rosa.

Química en solución acuosa

La forma estable del cobalto es el ion Co²⁺ en solución acuosa. Se presenta en forma de un compuesto de coordinación 6 octaédrico con seis moléculas de agua, [Co(H₂O)₆]²⁺. Las sales de cobalto divalente pueden ser disueltas en una cantidad importante de agua. Generalmente tienen un color rosa flor de melocotón o rosa granate. Cuando las soluciones son más concentradas y se calientan, se vuelven azules.

Los iones

El ion Co(III) puede existir en solución acuosa. Generalmente está presente en forma de complejos. Estos son compuestos de coordinación en los que el cobalto está rodeado de otros iones o moléculas. Forman una disposición geométrica específica.

Precipitaciones de los iones Co(II)

El ion cobalto puede ser precipitado por iones hidróxidos. Este proceso se produce solamente en frío y a un pH de aproximadamente 7,5. La solución obtenida tiene una concentración de aproximadamente 0,01 M. Sin embargo, esto no produce inicialmente Co(OH)² puro. Son más bien sales básicas de color azul. Para obtener la formación del hidróxido de cobalto Co(OH)² rosa, es necesario calentar la solución.

Conviene señalar que el hidróxido de cobalto puede redisolverse en presencia de un exceso de álcalis o de bases concentradas. Esta reacción se produce principalmente en presencia del ion cobaltita azul.

Las sales básicas obtenidas en frío se vuelven rosas cuando se tratan con un exceso de álcalis en frío. Sin embargo, estas composiciones complejas pueden oxidarse al aire y volverse marrones.

Los precipitados de hidróxidos de cobalto son solubles en un exceso de amoníaco. Esto concierne a los primeros precipitados de hidróxido de cobalto azul-verdoso obtenidos en medio ligeramente amoniacal. En efecto, la formación de aminocomplejos se produce en medio amoniacal más concentrado.

Cuando se añade amoníaco a una solución neutra que contiene el ion cobalto, esto puede provocar una precipitación. El amoníaco puede reaccionar con el ion cobalto para formar un compuesto insoluble. Se manifiesta en forma de precipitado. Esto puede ser utilizado como un método para identificar la presencia del ion cobalto en una solución. Reacciona específicamente con el amoníaco para producir esta reacción, pero únicamente en condiciones específicas. Por ejemplo, cuando la solución es ácida o muy básica, puede interferir con la formación del precipitado. Da resultados diferentes.

El complejo cobaltamina de color amarillo es fácilmente oxidable en presencia de aire. Esto conduce a la formación de un complejo aminado de cobalto (III) de color marrón-rojo. Está representado por la fórmula [Co(NH₃)₆]³⁺. Este último es estable y resiste a la acción de la sosa o de la potasa.

El uso de un tampón que contiene acetato de sodio puede mejorar la formación del precipitado en una solución acuosa. Contrariamente a lo que ocurre con los iones Ni²⁺, no hay ni formación de coloides ni suspensiones estables. Es importante señalar que la adición de ácido tartárico puede impedir la precipitación de CoS formando complejos solubles. Además, el CoS es poco soluble en las soluciones ácidas diluidas. Esta propiedad puede ser utilizada en un método de separación de los iones cobaltosos. Implica la formación, la purificación y el ataque de CoS por el ácido nítrico concentrado o el agua regia.

Los carbonatos alcalinos en solución contienen iones carbonato. Pueden provocar la precipitación de sales básicas de cobalto de color rosa, tales como el sólido rosa-rojo CoCO₃. Sin embargo, en presencia de carbonato de amonio, puede haber una redisolución del precipitado según la ecuación precedente. Los iones cobalto (II) también pueden precipitar en presencia de otros iones. Se trata de los fosfatos, los oxalatos, los ferrocianuro y los mercurotiocianatos.

Complejación

Los iones Co(II) pueden ser puestos en evidencia formando un complejo azul característico con los iones tiocianatos SCN. Está representado por [Co(SCN)₄]². Este cambio de color (rosa azul) se debe a un cambio de coordinación. Pasa de una disposición octaédrica (rosa) a tetraédrica (azul). Esta bicoloración se observa con numerosos otros ligandos. Sirve de referencia analítica para los complejos de cobalto. Las cobaltaminas se forman con amoníaco o aminas. También son complejos coloreados que pueden ser utilizados para valorar los iones cobalto en el agua. Por ejemplo, el indicador de fin de reacción utilizado es el negro de eriocromo T (NET). Esto concierne a la valoración del ion cobalto con el edta a un pH de 10 (ajustado con amoníaco).

Óxidorreducción

El potencial estándar del par Co(III)/Co(II) en el agua es de E° = 1,83 V/ESH. Hace que el complejo [Co(H₂O)₆]³⁺ sea inestable en el agua. El valor del potencial estándar es superior al de la oxidación del agua. El potencial estándar del par Co(II)/Co es de -0,28 V/ESH, permitiendo así depositar el cobalto por electrólisis y separarlo de otros iones en química analítica, incluso valorarlo por gravimetría.

La oxidación de Co(II) en Co(III) puede ser utilizada como método de valoración, por ejemplo con el cerio (IV). Sin embargo, el potencial estándar de oxidación del cobalto es superior al del par Ce(IV)/Ce(III). Por lo tanto, no es posible valorar directamente una solución de Co(II). Para bajar el potencial estándar, es posible complejar el Co(III) utilizando la ortofenantroline. El indicador de fin de valoración es la ortofenantroline ferrosa. También es posible seguir esta valoración por potenciometría.

Química de coordinación

Alfred Werner contribuyó al nacimiento de la química de coordinación estudiando los complejos de cobalto. Estaba en competencia con Jorgensen en esta investigación. Hoy, la teoría del campo de los coordinantes describe los compuestos de coordinación. Combina las propiedades magnéticas, espectroscópicas, estructurales y termodinámicas.

Existen compuestos de coordinación del cobalto en todos los grados de oxidación entre (-I) y (+V). Sin embargo, la mayoría de los complejos se encuentran en los grados II y III. Debido a su número impar de electrones, los complejos mononucleares en el grado (II) son ineludiblemente paramagnéticos.

Geometría de los complejos

Los complejos contienen ligandos aniónicos monodentados como Cl, Br, I, SCN y N3. A menudo son tetraédricos y tienen un color azul. Esto también es cierto para los complejos bidentados voluminosos como el salicilato y el betadicetonato sustituido. Algunos ligandos dan complejos plano-cuadrado. Se trata del dimetilglioximato (un ligando importante en análisis), las porfirinas y las bases de Schiff. Numerosos ligandos dan complejos octaédricos, tales como el agua, el amoníaco, la etilendiamina y el cianuro.

Espectroscopía de los complejos

Las soluciones que contienen cobalto en solución acuosa tienen un tinte rosa pálido.

Los coeficientes de absorbancia son generalmente bajos para los complejos de cobalto. Indican transiciones prohibidas de simetría (transiciones entre niveles d). Estos datos pueden ser interpretados mediante el diagrama de Orgel o el diagrama de Tanabe-Sugano. Los diferentes niveles del diagrama de Orgel proceden del término 4F. Es el fundamental del ion libre Co²⁺ o de su primer nivel excitado 4P. Todos los niveles son cuadrupletes de spin. Las transiciones electrónicas están permitidas, pero la simetría está prohibida.

Ya sean los complejos tetraédricos u octaédricos, se supone que presentan tres bandas de absorción en la gama de energía UV-visible. En la práctica, la transición de mayor energía es el elemento más característico del espectro. Se trata del  ⁴A₂ → ⁴T₁(P) para los complejos tetraédricos y del ⁴T_{1 g}(F) → ⁴T_{1 g}(P) para los complejos octaédricos. La envoltura de las bandas de estas transiciones generalmente es complicada. Esta complicación se debe a la presencia en la misma gama de energías, de transiciones prohibidas de spin. Sin embargo, su intensidad es reforzada por la existencia de un acoplamiento spin-órbita.

Magnetismo: caso del cobalto (II)

Las propiedades magnéticas de los complejos de cobalto (II) difieren entre los complejos octaédricos de campo bajo y los complejos tetraédricos. Esto se debe a la contribución del momento orbital no nulo en el caso octaédrico. En efecto, el fundamental de los complejos octaédricos es un triplete orbital (término T). En cuanto al fundamental de los complejos tetraédricos, se trata de un singlete orbital (término A).

El momento magnético para los complejos de nivel fundamental ⁴T_{1 g}(F) generalmente está comprendido entre 4,7 y 5,2 M.B. Sin embargo, debería ser de 3,89 M.B., siempre que solo la contribución del spin esté presente. En el caso de los complejos tetraédricos, la situación es más compleja por otra razón. El fundamental es un singlete orbital (término A). Sin embargo, una contribución orbital interviene también de manera indirecta a través del primer nivel excitado ⁴T₂.

Magnetismo: caso del cobalto (III)

La mayoría de los complejos octaédricos de cobalto (III) son de bajo spin y paramagnéticos. Se notan excepciones en algunos complejos raros como CoF₆₃. Los 6 electrones de los complejos de bajo spin llenan el nivel electrónico t_{2 g} apareándose. El término fundamental es ¹A_{1 g}.

Química organometálica

Existen numerosos compuestos organometálicos de cobalto que han sido sintetizados. El más célebre de ellos es la vitamina B12. Está presente en la naturaleza.

Compuestos carbonilos

Estando situado en la 9^a columna, el cobalto posee un número impar de electrones en el estado de oxidación cero. Esto lo hace incapaz de satisfacer la regla de los 18 electrones, que se aplica a los compuestos carbonilados. No forma ningún enlace cobalto-cobalto. Así, compuestos tales como Co₂(CO)₈, Co₄(CO)₁₂ o Co₆(CO)₁₆ pueden ser formados. Puentes entre los átomos de cobalto existen bajo diferentes estructuras geométricas en equilibrio, como en el caso del Co₂(CO)₈.

La reducción de Co₂(CO)₈ por una amalgama de sodio en el benceno conduce a la formación de Co(CO)₄. Es un cobalto en el estado de oxidación (-I). En medio ácido, esto da el hidruro amarillo pálido HCo(CO)₄. En condiciones más drásticas, incluso es posible formar un cobalto en el estado de oxidación (-III). Los elementos de la misma columna que el cobalto, como el rodio y el iridio, se comportan de la misma manera.

Los compuestos de cobalto-carbonilo tienen aplicaciones industriales. Se utilizan como catalizadores en las reacciones de hidroformilación.

Compuestos ciclopentadienilos

El cobaltoceno Co(II)(C₅H₅)² es un compuesto violeta oscuro, similar al ferroceno. Se prepara a partir de ciclopentadienuro de sodio y CoCl₂. Es estable hasta 250°C al abrigo del aire. Es muy reactivo debido a su esfera de coordinación que comporta 19 electrones. Le confiere una propiedad paramagnética con un momento magnético de 1,76 M.B. conforme a la fórmula del spin solo. Puede ser oxidado en ion cobaltocinio, de color amarillo (Co(III)(C₅H₅)²⁺). Es estable, incluso en el ácido nítrico concentrado.

También existen numerosos compuestos semi-sándwich de cobalto de fórmula Co(II)(C₅H₅) L2. En este caso, L es un ligando como la fosfina o el carbonilo.

Vitamina B12 o el ion cobalto en química bio-inorgánica

Favoreciendo el tratamiento con hierro en la lucha contra la anemia, la vitamina B₁₂ constituye el principal compuesto biológico del cobalto. Su primera extracción fue realizada sobre residuos de hígado. Representa un complejo organometálico del cobalto, en el que el ion está situado en el centro de un núcleo porfirina. Su formación es similar a la del hierro en la hemoglobina.

El cobalto está rodeado de un átomo de nitrógeno que pertenece a un residuo imidazol de una desoxiadenosina y de cuatro átomos de nitrógeno del núcleo porfirina. Un grupo alquilo unido al cobalto por un enlace σ (sigma) ocupa la sexta posición. Por consiguiente, la vitamina B₁₂ es el único compuesto organometálico de cobalto presente en la naturaleza.

Es posible proceder al aislamiento de la vitamina B₁₂ en forma de cianocobalamina en la que el desoxiadenosil es reemplazado por un grupo CN⁻. Este sexto ligando puede ser sustituido por (CH3-, OH).

Cuando el cobalto se incorpora en el núcleo porfirina, este elemento se beneficia de las propiedades redox originales. En efecto, existen tres formas, en función de las condiciones, a saber:

• Co(I), vitamina B_12s en su forma azul-verde;
• Co(II), vitamina B_12r de color marrón;
• Co(III)-OH, hidroxocobalamina violeta.

Los diferentes estados de oxidación del cobalto pueden ser obtenidos de manera natural. Este comportamiento puede ser reproducido por compuestos modelo que contienen cobalto (II) complejado por un compuesto que comporta un doble enlace, bautizado base de Schiff.

El papel bioquímico importante de la vitamina B₁₂ es permitir la isomerización del tipo necesario para la producción de eritrocitos, o glóbulos rojos.

Análisis

Los compuestos minerales de cobalto tienen la capacidad de colorear en azul las perlas de fósforo. Las sales de cobalto pueden ser oxidadas en óxido de cobalto. El bórax, que es un cuerpo disolvente de óxidos, da “perlas de vidrio azules” después de impregnación en caliente y calentamiento al soplete.

El tiocianato de potasio reacciona con los iones cobaltosos para formar un complejo de cobalto de color azul, como mencionado anteriormente.

Las soluciones neutras o poco ácidas de iones cobaltosos reaccionan con el compuesto α-nitroso β-naftol. Permiten formar un precipitado rojo-viñoso de cobalto (III) de fórmula Co^III[C₁₀H₆(OH)(NO)]₃. Este es soluble en las soluciones básicas y los ácidos diluidos.

Estas soluciones también reaccionan con los iones mercuriotiocianatos para formar un precipitado azul característico CoHg(SCN₄)ⁿ.

El análisis cuantitativo de las sales de cobalto puede ser efectuado por precipitación de óxido de cobalto Co₃O₄. La electrólisis constituye también un método perfecto para proceder a su descomposición química.

Aparte de las aleaciones, el cobalto está presente en cerámicas duras, como los carburos o los compuestos sinterizados de carburos metálicos, también llamados metales duros. Se utilizan en el diseño de brocas o fresas dentales.

También existen materiales compuestos o cerámicas de matriz metálica a base de cobalto, como los cermets.

El uso del cobalto en los acumuladores de litio-ion ha conocido un crecimiento rápido hasta 2019. Uno de los dos electrodos estaba compuesto de LiCoO₂. Sin embargo, el cobalto es cada vez más raro. Su precio es elevado y los problemas de suministro se multiplican. Fabricantes como Panasonic han desarrollado baterías sin cobalto. En 2019, el fabricante chino SVOLT Energy Technology también anunció el desarrollo de una tecnología de baterías de litio-ion sin cobalto. Esta es bautizada “NMx”.

Constructores de automóviles como Tesla y Volkswagen han anunciado el uso de baterías de litio-hierro-fosfato (LFP). Alimentan los vehículos eléctricos de gama estándar. En 2020, Tesla presentó sus planes para producir sus propias baterías sin cobalto. La marca utiliza baterías LFP sin cobalto provenientes de otros proveedores. Están destinadas a equipar los coches de entrada de gama. En 2021, el mercado global de las baterías eléctricas ha conocido cambios notables. El rendimiento y la autonomía de las baterías LFP superan oficialmente a las de las baterías ternarias que contienen cobalto.

El cobalto y algunos de sus compuestos también son utilizados en sectores no metalúrgicos. Esto concierne a la catálisis, en particular en el sector de los hidrocarburos con el proceso Fischer-Tropsch. Permite transformar carbón en combustible líquido para los motores de combustión interna. Sirve para fabricar pigmentos (9%), neumáticos, colas y jabones.

El cobalto es ampliamente utilizado como catalizador en la industria química y petrolera. El metal cobalto, a menudo asociado al hierro y al níquel, es un catalizador de la reacción de Bosch. El molibdato de cobalto se utiliza como catalizador de conversión y desulfuración para producir gasolina y otros productos petroleros. Los carboxilatos de cobalto (II) son catalizadores comunes. El óxido de cobalto (III) monohidratado es un catalizador de oxidación. El fluoruro de cobalto (III) permite la perfluoración de los hidrocarburos. El acetato de cobalto (III) cataliza la descomposición del peróxido de cumeno, utilizado en la fabricación industrial del fenol y la acetona.

Los óxidos de cobalto (II) y (III) son productos de sinterización. Se utilizan con carburos de titanio y tungsteno. Sirven para fabricar herramientas de corte eficaces a gran velocidad a pesar de un calentamiento elevado.

Estos óxidos también se utilizan como pigmentos colorantes en la fabricación de cerámicas y vidrios. Los hidróxidos de cobalto de estructura laminar pueden ser utilizados en los supercondensadores.

El carbonato de cobalto (II) se utiliza como pigmento rojo para las cerámicas. El cloruro de cobalto (II) sirve de pigmento para los barnices minerales, ampliamente empleado en pintura sobre vidrio y cerámica.

El acetato de cobalto (II) y los carboxilatos de cobalto (II) son agentes secantes para las lacas, barnices, pinturas y tintas. El cloruro de cobalto (II) está presente en las tintas simpáticas y puede ser utilizado como indicador de humedad con desecadores clásicos.

El ion cobalto complejado con moléculas orgánicas puede ser utilizado como absorbedor de oxígeno, cloro, azufre y arsénico.

El cobalto también se utiliza como aditivo alimentario para los animales de cría, en particular los rumiantes y los conejos. Favorece la producción de vitamina B₁₂ por su flora digestiva.

El cobalto también se utiliza como materia prima para la producción de vitamina B₁₂ por fermentación bacteriana destinada a la alimentación humana y animal. La necesidad diaria para un bovino adulto es de aproximadamente 1 mg, mientras que para un cordero, es de 0,08 mg.

Los gránulos de arcilla que contienen cobalto o sulfato de cobalto pueden ser añadidos a las praderas artificiales o a los cultivos forrajeros.

En 2012, se realizaron ensayos con catalizadores bioinspirados. Podrían eventualmente reemplazar al platino. Este es necesario para la producción de hidrógeno y/u oxígeno por electrólisis del agua. Se han propuesto dos compuestos. Las nanopartículas de cobalto recubiertas de un oxo-fosfato de cobalto son utilizables en soluciones acuosas de pH neutro. Un material catalítico conmutable sin metales nobles interviene en las dos reacciones químicas esenciales para la electrólisis del agua.

Este nanocatalizador es capaz de transformarse de manera reversible de una forma química a otra, correspondiendo cada una a una actividad catalítica específica. Sin embargo, el proceso aún debe ser industrializado.

Ya se proponían catalizadores bioinspirados a base de níquel sobre nanotubos de carbono. Eran eficaces únicamente en medio fuertemente ácido.

Toxicidad y ecotoxicidad del cobalto

El cobalto está principalmente presente en los suelos y los sedimentos. Se trata de un oligoelemento útil para ciertas plantas que fijan el nitrógeno y para numerosas bacterias fijadoras asociadas a la esfera radicular. Los tejidos animales sólo contienen dosis bajas de cobalto, asociado a ciertas proteínas y sobre todo a la vitamina B₁₂.

Los rumiantes son vulnerables a la carencia de cobalto. Puede provocar una disminución del apetito, de la producción de leche y del peso de los terneros y de las novillas de cría.

La carencia de cobalto también favorece la acción tóxica del selenio. La necesidad diaria de cobalto en el humano no supera los 0,6 a 0,15 mg, únicamente bajo forma de vitamina B₁₂. En los rumiantes, la microflora del rumen transforma el ion cobalto divalente en cianocobalamina o vitamina B₁₂.

Se han observado casos de carencia de cobalto en ciertas regiones agrícolas raras. Esto concierne a los Vosgos graníticos y sectores similares del oeste de Francia.

Fuentes de exposición y de riesgos para la salud

Una exposición aguda al cobalto de aproximadamente 25 a 30 mg por día es tóxica. Puede causar anomalías fetales en los animales expuestos en laboratorio a tasas elevadas de cobalto durante el embarazo.

La adición de sulfato de cobalto como estabilizador de la espuma de la cerveza ha provocado náuseas. También es el origen de los vómitos y las afecciones cardíacas en los grandes bebedores de cerveza en los años 1960. Las prótesis de cadera pueden ser una fuente emergente de exposición humana produciendo partículas nanométricas de cobalto. Causan a veces reacciones locales indeseables y una toxicidad sistémica.

Las partículas nanométricas de cobalto son más tóxicas que las partículas micrométricas.

Algunos atletas han utilizado sales de cobalto para doparse, ya que no está prohibido a los deportistas. Esto puede tener efectos médicos indeseables graves.

El cobalto puede ser buscado en la sangre completa, el suero, el plasma o la orina.

Toxicidad

El cobalto ha sido mal conocido durante mucho tiempo. La palabra “cobalto” proviene del alemán kobalt o kobold, que significa “espíritu maléfico” en la tradición germánica. El metal fue fabricado tardíamente y su toxicidad ha sido considerada durante mucho tiempo como baja. Sin embargo, los metalúrgicos prudentes han tomado precauciones. Se aseguran de que los polvos finos de metal cobalto sean inferiores a 0,5 mg/m³. La inhalación de estos polvos puede causar trastornos pulmonares y el contacto con la piel puede provocar irritaciones. La ingestión de cobalto a menudo provoca náuseas y vómitos.

Efectos

El cobalto es un oligoelemento necesario a dosis ínfima para ciertas células y para ciertos procesos biológicos. Está presente en la vitamina B₁₂ y utilizado contra la anemia, ya que favorece la constitución de los glóbulos rojos. Sin embargo, a dosis más elevadas, es altamente tóxico. Las pruebas in vitro con iones cobalto en células de mamíferos muestran que es citotóxico. Puede inducir la apoptosis y la necrosis celular a concentraciones elevadas. La ingestión de cloruro de cobalto (II) puede rápidamente provocar náuseas, vómitos e incluso la muerte, sobre todo en los niños.

Se han demostrado efectos cardíacos y pulmonares indeseables durante una exposición al cobalto cercana o ligeramente inferior a los límites de exposición profesional actuales. La exposición al cobalto también puede afectar gravemente al tracto gastrointestinal, la tiroides, el corazón y los sistemas sensoriales. Trabajadores que han respirado aire cargado de cobalto pueden tener dificultades respiratorias evolucionando eventualmente hacia asma o neumonía.

El cobalto es tóxico debido a sus propiedades químicas.

Algunos de sus isótopos radiactivos, como el cobalto 60, son radiotóxicos. Se utilizan en investigación y en medicina nuclear, en forma de agujas. Sirven para matar células cancerosas. El cobalto también puede tener acciones sinérgicas con otros metales comúnmente encontrados en la naturaleza. Se trata del arsénico, del cobre, del níquel y del manganeso.

En todos los casos, el cobalto es más tóxico en forma de nanopartículas, pero la investigación en este ámbito aún es limitada.

Genotoxicidad

El cobalto y sus sales son genotóxicos debido a daños oxidativos en el ADN causados por especies reactivas del oxígeno. También son debidos a una eventual inhibición de ciertos procesos de reparación del ADN.

Carcinogenicidad

El Centro Internacional de Investigación sobre el Cáncer clasifica el cobalto como “posiblemente carcinogénico”. Puede provocar un cáncer cuando se introduce en un músculo o bajo la piel. No parece ser carcinogénico cuando es inhalado por animales expuestos a través del agua, la comida o el aire. Las pruebas de carcinogenicidad del cobalto metálico y del sulfato de cobalto se consideran suficientes en el animal de laboratorio. Todavía se juzgan insuficientes en el humano.

Metabolismo

El papel del cobalto en la carencia de oxígeno (hipoxia) en las células animales aún se entiende incompletamente, pero los resultados de las investigaciones son más coherentes y pertinentes. Los iones de cobalto en forma de Co⁺⁺ estabilizan los daños celulares debidos a la hipoxia y estimulan la producción de eritropoyetina (EPO).

Por el mismo mecanismo, parece contribuir a coordinar y regular otras respuestas adaptativas a la hipoxia, o carencia de oxígeno. La mayoría de estas respuestas tienen efectos carcinogénicos potenciales, demostrados en los modelos animales. Una hipótesis reciente sugiere que algunos de los efectos tóxicos del ion Co⁺⁺ se deben a una interferencia negativa. Está combinado con la bomba de Ca⁺⁺ de las células.

Cinética corporal: retención/excreción

La cinética del cobalto en el cuerpo está presente en forma de ion Co⁺⁺. Ha sido principalmente estudiada en el animal de laboratorio y en menor medida en el Hombre. Se acumula principalmente en el hígado, los riñones, el páncreas y el corazón. El contenido relativo en el esqueleto y el músculo esquelético aumenta lentamente con el tiempo después de la administración de cobalto.

En el Hombre, la excreción renal es rápida al principio. Disminuye en algunos días. En una segunda fase que dura algunas semanas, se ralentiza. Una parte del cobalto queda atrapada en los tejidos durante varios años. Esto concierne, en particular, a la dermis en caso de tatuaje. En el suero, el ion Co⁺⁺ se une a la albúmina además de los iones libres. Representan entre 5 y 12% de la concentración total de cobalto. En los glóbulos rojos humanos, utiliza aparentemente la misma vía transmembranosa que el calcio. La absorción es esencialmente irreversible cuando está efectivamente comprometido en el citosol. Este ya no puede ser expulsado por la bomba de calcio.

Impregnación de las poblaciones humanas

La impregnación al cobalto es casi sistemática en los países ricos, incluyendo Francia. Las proporciones aún son mal conocidas. Varían verosímilmente según numerosos parámetros, especialmente ambientales y alimentarios.

En 2018, el programa nacional de biovigilancia “Componente perinatal” publicó una evaluación de la impregnación de las mujeres embarazadas por el cobalto en Francia. Los resultados mostraron que este elemento monoisotópico y mononucleídico estaba presente en 100% de las muestras de orina analizadas (media geométrica: 0,85 g/L).

Las tasas son similares a las encontradas en otros países para las mujeres al final del embarazo. Son mucho más elevadas que en las mujeres no embarazadas en Francia. En este estudio, la excreción urinaria de cobalto es más elevada en caso de tabaquismo. Lo mismo ocurre en caso de consumo de productos chocolateados y de té. La excreción tiende a disminuir con la edad y a causa de un consumo de pescado. Generalmente, 99% del cobalto que absorbemos proviene de la comida más que del agua o del aire. Los casos excepcionales conciernen a los trabajadores o las personas expuestas a fuentes industriales o naturales importantes.

Diseminación ambiental

El cobalto está presente en los suelos, resultando de la erosión, los volcanes, el agua de mar y los incendios forestales.

Fuentes naturales

La tasa media de cobalto en el suelo en el mundo es de ocho ppm (partes por millón). Puede variar de casi cero a 6.450 ppm, e incluso más en proximidad de minas. En Ontario, se han medido tasas de 16 y 17 ppm de cobalto respectivamente en parques rurales y viejos parques urbanos.

Fuentes antrópicas

Las minas y la industria del cobalto con los humos de los incineradores y de la combustión del carbón y del petróleo contaminan el agua. También contaminan el aire, el suelo y los ecosistemas con proporciones variables.

Los gases de escape de los vehículos y aviones también pueden contener cobalto. Pueden producirse contaminaciones accidentales, como el caso de los botones de ascensores suizos contaminados por cobalto radiactivo. Las consecuencias de las pruebas nucleares y del accidente de Chernóbil son las fuentes principales de radiactividad del cobalto en el medio ambiente. La radiactividad disminuye globalmente con el tiempo. Sin embargo, localmente, por lixiviación, escorrentía, y luego bioconcentración, las tasas pueden aumentar, especialmente en los hongos y los animales que los consumen.

Ecotoxicología

En los entornos acuáticos, el cobalto ha sido poco estudiado. Sin embargo, Ifremer ha medido su presencia de 1 a 5 ng.L1 en el mar. Cantidades significativas han sido traídas por los ríos contaminados. Va hasta 200 ng.L1 en el Sena y su estuario a baja salinidad. Los bivalvos, como los mejillones y las ostras, también contienen. Las cantidades van hasta 3,5 mg.kg1 en invierno y 0,8 a 1,2 mg.kg1 en verano para los mejillones de Devon. La toxicidad del cobalto varía según los organismos, los individuos, el contexto y la especie química considerada:

• cobalto puro;
• ion;
• nanopartícula;
• cobalto II o cobalto III;
• radiactivo o no;
• tipo de sales orgánicas y/o inorgánicas.

Su toxicidad y su movilidad ambiental aumentan con la acidez del suelo. Las lluvias ácidas pueden acentuar su movilidad y su biodisponibilidad. Hay un riesgo elevado de bioacumulación y de bioturbación por ciertas plantas, hongos y animales.

¿Qué hay de las normas y los umbrales?

En 2020, no existe ninguna norma reglamentaria de calidad del agua de superficie, de capa freática o potable para el cobalto. Esto concierne tanto a la Unión Europea como a los Estados Unidos. Un estudio ha propuesto umbrales para una futura norma basándose en algas. El umbral también se basa en varias especies de invertebrados y de peces. Se utilizan para las pruebas de toxicidad aguda y crónica. La CE50 (o CL50) variaba de 90,1 µg Co/L (para la lenteja de agua) a 157.000 µg Co/L (para el cecidómido). En cuanto a la toxicidad crónica, la EC10 variaba de 4,9 µg Co/L (para la lenteja de agua) a 2.170 µg Co/L (para la trucha arco iris).

Siguiendo el enfoque europeo, una concentración peligrosa mediana para el 5% de los organismos (HC5,50%) sería de 1,80 µg Co/L. Un enfoque de tipo US EPA sería siete veces más tolerante (7,13 µg Co/L).

Algunos invertebrados y las algas/plantas acuáticas se muestran más sensibles a las exposiciones crónicas al cobalto que los peces.

Descontaminación

Para extraer la forma iónica disuelta de cobalto de un líquido, se utilizan varias técnicas. Se trata de los quelantes, las resinas intercambiadoras de iones, el carbón vegetal activado y las técnicas de nanofiltración. Investigadores alemanes e indios trabajan en el desarrollo de polímeros capaces de concentrar isótopos de cobalto radiactivos. Permiten tratar el agua de refrigeración de las centrales nucleares.

Este nuevo proceso contribuye a la reducción de los residuos radiactivos. Estos isótopos de cobalto radiactivos provienen de la aleación de acero especial. Compone los tubos en los que circula bajo presión el agua hirviendo. Es bombardeado de neutrones en el núcleo del reactor. Estos producen isótopos (Co 60) con un período de vida media radiactiva que supera los 5 años. El polímero en cuestión es un producto anteriormente rico en iones de cobalto. Se pasa al ácido para extraer el cobalto de la matriz. La nanoestructura de este polímero forma una “huella molecular”. Permite atrapar una gran cantidad de isótopos radiactivos de cobalto en solución y eliminarlos.

Economía y producción

La bolsa del mercado del cobalto es gestionada por el London Metal Exchange. Como mineral estratégico y no renovable, su consumo en 2014 fue muy elevado. Reveló que las reservas conocidas en la República del Congo, en Australia y en Cuba se agotarán en 60 años. Sin embargo, los nódulos polimetálicos y las incrustaciones cobaltíferas submarinas contienen mucho. Su explotación sigue siendo incierta en cuanto a su impacto en el medio ambiente marino.

Los principales productores de cobalto son sociedades basadas en el Reino Unido, en Suiza y en China. Se trata de Glencore, de Eurasian Natural Resources, de China Molybdenum y de Metorex. Los accionistas chinos controlan estas dos últimas empresas, representando el 13,8% de la producción mundial y aproximadamente el 24% de la producción de las grandes empresas. Las empresas constituidas en la República Democrática del Congo sólo controlan el 3,5% de la producción mundial. La familia sudafricana Glasenberg es el principal accionista de Glencore con una producción correspondiente al 19,3% de la producción mundial.

Recursos planetarios, desafíos estratégicos, ecológicos y éticos

África posee la mayoría de los recursos mundiales conocidos de cobalto. Aproximadamente el 50% se encuentra en la República Democrática del Congo, seguido por Zambia. Es el primer país productor. En el siglo XX, la sociedad belga Umicore era líder mundial en este ámbito. La demanda de cobalto a escala planetaria debería triplicarse antes de 2030, principalmente debido al crecimiento de la demanda de vehículos eléctricos. Sin embargo, es bueno recordar que Tesla ha logrado producir baterías sin utilizar cobalto. Nuevos yacimientos submarinos podrían ser descubiertos y explotados en el futuro. Sin embargo, la producción minera de cobalto debería aumentar un 33% en 2023, según Rystad Energy.

En 2018, el cobalto es clasificado “rojo” por el BRGM y el WMF. Una escasez sería posible desde 2025. La República Democrática del Congo que posee la mitad de los recursos podría ser políticamente inestable. El precio del cobalto ha alcanzado máximos sin igual desde hace diez años en 2018. Ha caído un 58% en marzo de 2023, tras la disminución de la demanda en China. Por otra parte, las baterías de litio-hierro-fosfato conocen una popularidad creciente.

Reciclaje

El cobalto es un recurso estratégico y no renovable. Su reciclaje se convierte en un desafío estratégico frente al aumento de los precios. Por otra parte, todavía es difícil pasar a métodos industriales. Según el informe de la UNEP de 2011, la tasa de metal funcional reciclado para el cobalto es del 68%. La proporción de metal reciclado que entra en la producción de metal es del 32%. La proporción de viejos desechos metálicos en el flujo de desechos metálicos introducidos en el proceso de reciclaje es del 50%.

Transformación / productos químicos a base de cobalto

El líder mundial de refinado, transformación y comercialización de Química fina especialidades químicas a base de cobalto es “Cobalt & Specialty Materials” (CSM). Existente desde 1912, es una filial de Umicore (convertido en Nyrstar).

El grupo controla toda la cadena de suministro y producción para el cobalto, a través de unidades repartidas en varios continentes.

Los compuestos de cobalto se utilizan como pigmento para:

• el vidrio;
• la cerámica;
• las pinturas;
• las tintas.

También son útiles en la fabricación de las baterías, las pilas recargables y los catalizadores.

En Europa, la principal fábrica es la de Brujas, en Bélgica, comprada por Umicore en 2007. Partículas y nanopartículas estables de cobalto también son producidas e integradas a una nueva generación de catalizadores al paladio.